JP2009287105A - 球状チタン系粉末の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属粉末射出成形や粉末焼結用の原料粉末、また溶射原料やショットブラスト用粉末等に利用されるチタン系粉末に関して、水素含有チタン系粉末の脱水素処理時の粉末焼結の進行を抑制して、効率的に流動性の高い球状チタン系粉末を製造する方法を提供する。
【解決手段】 水素含有チタン系粉末を、ＲＦ熱プラズマ炎に通過させて球状化処理した後、脱水素処理を施す球状チタン系粉末の製造方法である。また、前記水素含有チタン系粉末は、水素を３質量％以上含有するものである球状チタン系粉末の製造方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、球状チタン系粉末の製造方法に関するものである。

金属粉末射出成形や粉末焼結用の原料粉末、また溶射原料やショットブラスト用粉末として利用されているチタンあるいはチタン合金のチタン系粉末は、従来からスポンジチタンやチタン溶製材を水素雰囲気で加熱し、水素化チタンとして水素脆化させて機械的に粉砕した後に脱水素処理を行って製造されてきた。また、一部は溶解原料を使用したガスアトマイズによって粉末化する方法も利用されている。

水素化チタン粉末を機械的に粉砕して製造する方法としては、水素化した原料チタンを粉砕した後に、真空中熱処理での脱水素処理で焼結したチタン塊を、衝撃・打撃を加える粉砕機構による機械的手段により粉砕して角の取れた粒子とすることにより、見かけ密度が大きく流動性に優れたチタン系粉末とする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、本願出願人は、チタンを含む４ａ族から選ばれる金属材料を水素脆化させた後に粉砕した粉末を、熱プラズマ炎で処理して脱水素と酸化還元と球状化を同時に行う金属粉末の製造方法を提案している（例えば、特許文献２参照）。
特開平０５−１６３５０８号公報 特開２００６−２４９５４８号公報

チタンあるいはチタン合金のチタン系材料の粉末は、金属粉末射出成形や粉末焼結用の原料粉末、溶射原料やショットブラスト用の粉末として用途が考えられている。これらの用途に関しては、射出成形や粉末充填の際に粉末自身に流動性を確保するために球状化する必要がある。
特許文献１では、粉体の流動性を確保するために、チタン粉焼結塊に衝撃・打撃を加える粉砕機構による機械的手段を利用して角の取れた粒子を作製しているが、機械的手段による粉砕を行うため粉砕形状を完全には除去することができず流動性の確保には限界があるという課題がある。また、水素化チタンの脱水素処理においては、加熱処理が必須となることから粉末の焼結が進みやすいため、粉砕した粉末を再度機械的手段で粉砕することが必要になるという課題もある。
また、特許文献２は、金属材料のスクラップを球状粉末に再生する方法としては、大変有効な方法である。しかしながら、本発明者の検討によれば、水素との反応性が高いチタン系材料の場合には、熱プラズマ処理の条件によっては、熱プラズマ炎による処理のみでは十分な脱水素が行えない場合があることを確認した。
本発明の目的は、上記の課題を解決し、効率的に流動性の高い球状チタン系粉末を製造する方法を提供することにある。

本発明者等は、上記の問題を鋭意検討した結果、水素含有チタン系粉末を出発原料として、熱プラズマ炎によって球状化処理した後に、脱水素処理を行うことで、効率的に流動性の高い球状チタン系粉末が作製可能であることを見出し本発明に到達した。

すなわち、本発明は、水素含有チタン系粉末をＲＦ熱プラズマ炎に通過させて球状化処理した後、脱水素処理を施す球状チタン系粉末の製造方法である。
また、水素含有チタン系粉末としては、水素を３質量％以上含有することが好ましい。

本発明によれば、効率的に球状チタン系粉末を製造することが可能となるので、金属粉末射出成形や粉末焼結等に供される球状チタン系材料粉末の製造方法として欠くことのできない技術となる。

本発明の特徴は、水素含有チタン系粉末をＲＦ熱プラズマ炎によって球状化処理をすることで流動性の高い粉末を得ると同時に、球状化した粉末を脱水素処理することで粉末の焼結の進行を抑制し機械的手段で粉砕をすることなく効率的に球状チタン系粉末が製造可能となる点にある。
以下、本発明を工程毎に説明する。

まず、本発明においては、原料として水素含有チタン系粉末を使用して、ＲＦ熱プラズマ炎に通過させて球状化処理を施す。
チタンは水素を含有することで、非常に脆弱な素材となり、容易に粉砕が可能となるため、ＲＦ熱プラズマ炎に通過させて球状化処理をするのに望ましい。また、チタンは酸化活性の高い元素であるが、水素を含有することで、酸素含有量の増加を抑制することが可能となり、ＲＦ熱プラズマ炎による処理にまでの粉末中の酸素量の増加を抑制することが可能である。
なお、本発明のチタン系粉末とは、純チタンおよびチタンを５０質量％以上含有するチタン合金を含み得る。

また、水素含有チタン系粉末は、水素を３質量％以上含有することが望ましい。それは、チタンは、水素を３質量％以上含有する水素化物（δ相）にすることで非常に脆弱な素材とすることが可能となるため、ＲＦ熱プラズマ炎で処理する粉末にする上で望ましいためである。
また、ＲＦ熱プラズマ炎により球状化処理を行う水素含有チタン系粉末としては、粒径が大きすぎると後述するＲＦ熱プラズマ炎に通過させる際に、十分に溶融することが困難になり球状化粉末が得られにくいため、３００μｍ以下に調整することが望ましい。また、５μｍ以下の粉末微粒子が多く含まれる場合、ＲＦ熱プラズマ炎での処理において超微細粉が生成され大きい粒径の粉末に付着して酸素含有量を増加させる原因になりやすいため、１０％累積粒子径（Ｄ１０）が５μｍ以上の粒度分布に制御することが望ましい。
なお、水素含有チタン系粉末は、例えば、スポンジチタン、チタンやチタン合金の溶製材を水素含有雰囲気中で加熱し、水素含有チタンとして水素脆化させたものを機械的に粉砕する方法で得られるものを使用することができる。

また、ＲＦ熱プラズマ炎では、５０００〜１００００Ｋ程度の高温部を形成することが可能である。よって、水素含有チタン系粉末をＲＦ熱プラズマ炎に通過させることで、水素含有チタン系粉末が、高温部に曝され、少なくとも粉末の表面部が瞬時に溶融される。そして、ＲＦ熱プラズマ炎を通過した後は、表面張力により球状に凝固した粉末状態で回収される。

また、ＲＦ熱プラズマ炎は、例えば、図１に示すＲＦ熱プラズマ装置で発生させるものである。ＲＦ熱プラズマ炎は、冷却壁１で仕切られたプラズマ発生空間２を有した装置において、冷却壁１の外側に設けた高周波コイル３の軸方向の一方から作動ガスを供給部４から供給し、高周波コイル３に電圧をかけることで発生させる。
また、プラズマの作動ガスとしては、不活性ガスであるＨｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｒｎなどの希ガスに加えＲＦプラズマ炎による球状化処理中での脱水素を防止するためにＨ_２も適用できる。中でも、ＡｒやＨｅやＨ_２は商業ベースで安価に流通していることから特に望ましい。

続いて、ＲＦ熱プラズマ炎に通過させて球状化処理された粉末に脱水素処理を施すことで水素の放出を行なう。
通常は、水素含有チタン系粉末を球状化させずに、脱水素処理を行うと、粉末の形状が粉砕等による不規則形状のため焼結現象が促進し、機械的手段による粉砕を行う必要がある。一方、ＲＦ熱プラズマ処理により球状化された粉末を脱水素処理する場合、粒子同士の接触面積が減少し、粒子同士の焼結・凝集傾向が軽減されため、凝集が発生しても軽度の解砕で粉末状にすることが可能となる。
なお、脱水素処理は、球状化処理された粉末から水素の放出が進行し、かつ焼結現象をそれほど進行しない４００〜７００℃の加熱処理で実施することが望ましい。また、脱水素処理の雰囲気は、Ａｒガスなどの不活性ガスで置換をした後、１０^−１Ｐａ以下に減圧した雰囲気で制御することが、効率的な脱水素と加熱処理中の粉末酸化を抑制することができるため好ましい。

以下の実施例で本発明を更に詳しく説明する。
図１はＲＦ熱プラズマ処理装置の一例を示す構成図である。実施例においては、ＲＦ熱プラズマ装置には図1に示す構造のものを用いた。本装置は交流熱プラズマ装置である誘導結合型ＲＦプラズマトーチから構成されるもので、冷却壁１で仕切られたプラズマ発生空間２を有し、その外側に設けた高周波コイル３と、高周波コイル３の軸方向の一方から作動ガスを供給する作動ガス供給部４と、高周波コイルの内側に発生させた熱プラズマ炎５中にキャリアガスとともに粉末原料を供給する粉末供給ノズル６と、プラズマ炎の下流側に設けたチャンバー７と、チャンバーからの排気を行う排気装置８を具備する粉末の熱プラズマ処理装置である。

この装置はφ５０ｍｍの円筒形のプラズマ発生空間を有しており、処理時のプラズマ動作条件は最大出力３０ｋＷ、作動ガスとして不活性ガスのＡｒガスを合計６０Ｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒ）、Ｈ₂ガスを合計５Ｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒ）、キャリアガスとして不活性ガスのＡｒガス７Ｌ／ｍｉｎ（ｎｏｒ）の設定とした。

本実施例においては、まず、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ（質量％）のチタン系材料を熱処理炉へ入れ、炉内の水素圧力を０．１ＭＰａとして、１０００℃で３時間保持する水素雰囲気中での加熱処理を行った。
次に、この水素脆化させた水素含有チタン系材料をジョークラッシャーにより粒径２ｍｍ以下へ粗粉砕した後、ジェットミルを用いて微粉砕する機械粉砕を行った。その後、３２５メッシュ（４５μｍ）の篩により分級し、粒径４５μｍ以下、Ｄ１０が６μｍの水素含有チタン系粉末を作製した。

次に、本発明例として、プラズマ動作条件として出力３０ｋＷ、粉末供給速度６３４ｇ／hで水素含有チタン系粉末をＲＦ熱プラズマ炎に通過させて球状化処理を行った。続いて、得られた球状チタン系粉末をステンレス容器に挿入して真空加熱炉にセットし１．３３×１０^−２Ｐａ以下に減圧した後、７００℃で１時間保持する脱水素処理を行った。脱水素処理して得られた球状チタン系粉末は、容器内で若干凝集していたが、手粉砕により容易に解砕が可能であった。
また、比較例として、上記で作製した水素含有チタン系粉末をＲＦ熱プラズマ処理を行わず、そのまま上記と同様に脱水素処理してチタン系粉末を得た。なお、この脱水素処理後のチタン系粉末は、容器内で焼結が進んでおり、ボールミルによって４０分程度の解砕が必要であった。

また、上記で得られた本発明例の球状チタン系粉末の水素含有量を不活性ガス溶解熱伝導法により分析した結果、０．００３９質量％と、水素脆化させる前のチタン系材料の水素含有量（０．００２８質量％）と同程度の値であった。
また、上記で得られた本発明の球状チタン系粉末の走査型電子顕微鏡写真を図２に、比較例の脱水素処理後のチタン系粉末の状態を示す写真図を図３に示す。図２から、本発明により球状のチタン系粉末が得られることが分かる。

以上から、本発明によれば、ＲＦ熱プラズマ処理によって球状のチタン系粉末が得られるので、脱水素処理の際の焼結・凝集はほとんど進行せず、容易に解砕が可能であるので、効率的に流動性の高い球状チタン系粉末が製造可能となることが分かる。

本発明で用いるＲＦ熱プラズマ処理装置の一例を示す構造図である。 本発明例の球状チタン系粉末の走査型電子顕微鏡写真である。 比較例の脱水素処理後のチタン系粉末の状態を示す写真図である。

符号の説明

１．冷却壁
２．プラズマ発生空間
３．高周波コイル
４．作動ガス供給部
５．熱プラズマ炎
６．粉末供給ノズル
７．チャンバー
８．排気装置

Claims (2)

1. 水素含有チタン系粉末をＲＦ熱プラズマ炎に通過させて球状化処理した後、脱水素処理を施すことを特徴とする球状チタン系粉末の製造方法。
2. 前記水素含有チタン系粉末は、水素を３質量％以上含有することを特徴とする請求項１に記載の球状チタン系粉末の製造方法。